CN115452338A - 一种风电机组塔筒法兰螺栓连接状态检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风电机组塔筒法兰螺栓连接状态检测系统，至少包括位移监测装置、数据采集仪和中央处理器，位移监测装置、数据采集仪、中央处理器依次连接，将监测到的位移数据传至中央处理器，所述法兰上与主风向成90°方向位置的螺栓A的两侧对称设置有连通法兰上下面的通孔，位移监测装置安装于通孔内，用于监测螺栓A两侧的法兰上下表面间的相对位移值；所述检测系统还包括手持式电磁超声双波应力检测仪，检测法兰上每个螺栓的应力值。该检测系统能够对手持式电磁超声双波应力检测仪检测的螺栓应力值进行修正，螺栓状态检测结果准确，且能够以螺栓应力为判断标准对螺栓进行再次拧紧。

Description

一种风电机组塔筒法兰螺栓连接状态检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及风电机组塔筒法兰连接螺栓检测技术领域，尤其涉及一种风电机组塔筒法兰螺栓连接状态检测系统及检测方法。

背景技术

塔筒是风电机组中重要的支撑部件，风电机组在运行中会对塔筒产生横向、纵向的综合性力和力矩载荷作用。通常塔筒都由若干段组成，段与段之间通过大量高强度螺栓连接，螺栓的可靠连接是风电机组塔筒正常运行重要保障。然而在螺栓的长期服役过程中，由于振动、冲击、温度变化等造成螺栓容易发生松动现象，从而导致风电机组塔筒结构可靠性降低，甚至发生安全事故。

因风电机组塔筒法兰螺栓数量多、载荷大、松动风险高，风电行业中各单位已非常重视对塔筒法兰螺栓连接状态的在线监测和定期检测。目前对风电塔筒法兰螺栓连接状态的定期检测一般是采用力矩扳手检测螺栓拧紧力矩的方法，但多次拧紧螺栓后，螺栓拧紧过程的摩擦系数将发生明显变化，所测拧紧力矩将无法准确对应设计的螺栓拉力、应力，不合适设计要求。

近几年，也有单位开发出了手持式电磁超声双波应力检测设备，采用手持式电磁超声双波应力检测设备检测螺栓连接状态具有速度快递、精度高、现场操作方便的特点，但因该手持式电磁超声双波应力检测设备在风电行业中应用时间短、应用经验少，数据修正方法尚不是特别完善，所测数据可能会出现一定偏差。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种风电机组塔筒法兰螺栓连接状态检测系统和检测方法，该检测系统能够对手持式电磁超声双波应力检测仪检测的螺栓应力值进行修正，螺栓状态检测结果准确，且能够以螺栓应力为判断标准对螺栓进行再次拧紧。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种风电机组塔筒法兰螺栓连接状态检测系统，至少包括位移监测装置、数据采集仪和中央处理器，位移监测装置、数据采集仪、中央处理器依次连接，将监测到的位移数据传至中央处理器，所述法兰上与主风向成90°方向位置的螺栓A的两侧对称设置有连通法兰上下面的通孔，位移监测装置安装于通孔内，用于监测螺栓A两侧的法兰上下表面间的相对位移值；所述检测系统还包括手持式电磁超声双波应力检测仪，检测法兰上每个螺栓的应力值。

所述位移监测装置为电涡流位移传感器，电涡流位移传感器通过传感器安装附件安装于通孔上，并监测法兰上下表面间的相对位移值。

所述电涡流位移传感器包括传感器本体、传感器探头和传感器限位块，其中传感器本体与数据采集仪连接，所述传感器安装附件包括止挡块、传递杆和安装座；

其中传递杆穿过通孔，止挡块连接于传递杆的一端并固定于法兰的下表面或上表面，所述传感器限位块固定于传递杆上远离止挡块的一端，使传感器限位块位于法兰上表面的上方或下表面的下方，并使传递杆和传感器限位块随下法兰或上法兰移动；

所述传感器探头固定于安装座上，安装座固定于法兰的上表面或下表面，使传感器探头位于传感器限位块的正上方或正下方，且传感器探头随上法兰或下法兰移动。

所述传感器限位块的直径大于传感器探头的直径，且大于通孔的孔径。

所述安装座包括连接为一体的顶板和支承腿，其中支承腿设置有三个并均匀布设于顶板的底部，支承腿呈倒T字型，所述顶板上设置有安装孔，传感器探头通过固定螺母安装于安装孔内并位于三个支承腿的中心处，所述支承腿与法兰固定连接。

所述传递杆为圆柱形，通孔为圆形孔，传递杆的直径与通孔的直径相匹配。

所述传递杆的外径小于通孔的孔径，传递杆上位于传感器限位块与通孔之间套设有导向块，所述导向块整体为环状结构，导向块的内径与传递杆的外径相匹配，导向块固定于法兰上。

所述导向块上设置有连接为一体的止档环，止档环的内径与传递杆的外径相匹配，止档环的外环形状与通孔的形状相匹配，止档环套置于传递杆上，并卡置于通孔上。

本发明还提供了一种风电机组塔筒法兰螺栓连接状态检测系统的检测方法，包括以下步骤：

S1、将位移监测装置安装于螺栓A的两侧；

S2、风电机组工作时，位移监测装置实时监测法兰上下表面的相对位移，并将监测数据通过数据采集仪传输到中央处理器；

S3、中央处理器存储、分析法兰位移数据，若螺栓A两侧的位移监测装置得到的位移数据相差10％以上，发出预警提示；若两者位移数据相差小于10％，则取两者的平均值作为螺栓A处的法兰上下表面的相对位移值，并根据相对位移值计算螺栓A的应力，上传至云网络服务器，同时若螺栓A的应力数据小于设计阈值范围，则发出预警提示；

S4、在低风速条件下对风电机组塔筒法兰螺栓进行应力检测，检测前从云网络服务器中读取该层塔筒法兰上被监测螺栓A的应力，并记为σ₀，用手持式电磁超声双波应力检测仪检测螺栓A的应力，并记为σ₁，令k＝σ₀/σ₁，k为修正系数；

S5、用手持式电磁超声双波应力检测仪测试该层塔筒法兰上其他螺栓的应力σ，然后乘以修正系数k得到其他螺栓修正后的应力值，若发现其他螺栓修正后的应力值小于设计阈值范围，则记录并再次拧紧；

S6、检测完一层塔筒法兰螺栓的应力数据后，再按照上述步骤S4、S5再测试下一层塔筒法兰螺栓的应力数据。

若检测到螺栓的应力数据小于设计阈值范围，使用套筒扳手再次拧紧螺栓，再次拧紧过程中是否拧紧到位的判断标准为：基于位移监测装置、手持式电磁超声双波应力检测仪所检测、计算出的螺栓应力数据符合设计要求。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案有以下优点：

1、本发明中依据两个电涡流位移传感器监测的位移数据计算出的螺栓应力作为检测应力的参考标准，并根据手持式电磁超声双波应力检测仪测试被监测螺栓的应力值得到修正系数，可修正手持式电磁超声双波应力检测仪自身检测误差导致的螺栓应力数据偏差，修正后的螺栓的应力值更加准确，更能反应螺栓的连接状态。

2、本发明中位移监测装置安装于与主风向成90°方向位置的螺栓A的两侧，该位置在风电机组运行中所受的弯矩载荷较小，螺栓不易松动，取此处螺栓应力作为参考标准，准确性较高；而且以两侧的位移监测装置监测数据的平均值作为该螺栓处法兰上下表面间的相对位移值，测量精度高、误差小，另外，通过对两侧的位移监测装置监测数据进行比较，可及时发现位移监测装置的自身故障。

3、本发明提供的检测方法在所检测的螺栓应力数据小于设计阈值范围后，再次拧紧过程中以位移监测装置、手持式电磁超声双波应力检测仪所检测、计算出的螺栓应力数据是否符合设计要求为拧紧到位的判断标准，而非以再次拧紧过程中的拧紧力矩为判断标准，消除了再次拧紧过程中摩擦系数变化导致相同的拧紧力矩对应不同螺栓应力，造成螺栓应力不符合设计要求的影响。

4、本发明中位移监测装置为电涡流位移传感器，其检测精度可达0.1微米或更小，检测精度高，满足通过法兰上下表面相对位移计算螺栓应力的精度需求，修正后的螺栓应力值的准确度更高。

5、本发明中用于固定传感器探头的安装座设置为三个支承腿的结构，支承腿间存在空隙，方便观测、检查传感器探头和传感器限位块的状态；同时支承腿呈倒T字型，与法兰安装面接触面积大，方便固定。

附图说明

图1为本发明中位移监测装置在法兰上的安装俯视图；

图2为本发明中电涡流位移传感器与传感器安装附件的连接示意图；

图3为本发明中电涡流位移传感器在法兰上安装的结构示意图；

图4为图3中的局部放大示意图；

图5为本发明中安装座的结构示意图；

图6为本发明中导向块的主视图；

图中：100-上法兰，200-下法兰，300-螺栓A，1-电涡流位移传感器，11-传感器探头，12-传感器限位块，2-通孔，3-止挡块，4-传递杆，5-安装座，51-顶板，511-安装孔，52-支承腿，6-导向块，61-止档环，7-固定螺母。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细具体的说明。

本发明提供的一种风电机组塔筒法兰螺栓连接状态检测系统，包括手持式电磁超声双波应力检测仪、位移监测装置、数据采集仪和中央处理器，手持式电磁超声双波应力检测仪检测法兰上每个螺栓的应力值。为了确保螺栓应力值的准确性，本实施例中通过设置位移监测装置对手持式电磁超声双波应力检测仪测得的应力数据进行修正。本实施例中位移监测装置为电涡流位移传感器1，其检测精度可达0.1微米或更小，修正后的应力数据准确度高。而法兰上的通孔可以预先在上、下法兰出厂前进行设置。

具体地，法兰上与主风向成90°方向位置的螺栓A300的两侧对称设置有连通法兰上下面的通孔，位移监测装置安装于通孔2内，用于监测螺栓A两侧的法兰上下表面间的相对位移值，即上法兰100和下法兰200之间的相对位移值，数据采集仪、中央处理器依次连接，将监测到的位移数据传至中央处理器，如图1所示。

电涡流位移传感器通过传感器安装附件安装于通孔上，并监测法兰上下表面间的相对位移值。具体地，电涡流位移传感器包括传感器本体(图中未画出)、传感器探头11和传感器限位块12，传感器限位块的直径大于传感器探头的直径，且传感器限位块为金属材质。所述传感器安装附件包括止挡块3、传递杆4和安装座5，如图2～图4所示。传感器本体通过粘结或强磁性连接的方式安装在塔筒法兰上或法兰附近的塔筒内壁上，传感器本体与数据采集仪连接，传感器本体接收传感器探头和传感器限位块之间的电信号变化并传至数据采集仪。

本实施例中止挡块固定于法兰的下表面，对应的，安装座固定于法兰的上表面，方便传感器探头和传感器限位块的固定，见图3。具体地，传递杆穿过通孔，止挡块连接于传递杆的一端并通过粘接等方式固定于法兰的下表面，传感器限位块通过粘接等方式固定于传递杆上远离止挡块的一端，使传感器限位块位于法兰上表面的上方，并使传递杆和传感器限位块随下法兰移动，传感器限位块的直径大于通孔的孔径，使其始终位于通孔上方，而且传感器限位块与法兰上表面的距离应大于螺栓应力小于设计阈值时法兰上下表面之间的相对位移值。传感器探头固定于安装座上，安装座通过粘接等方式固定于法兰的上表面，使传感器探头位于传感器限位块的正上方，且传感器探头随上法兰移动，当上、下法兰发生位移时，传感器探头和传感器限位块之间也发生相对位移，从而产生电信号，中央处理器将电信号转化为对应的位移信号，从而对上、下法兰之间的相对位移进行监测。

具体地，为了避免安装座对电涡流位移传感器的测量数据造成影响，安装座为并金属材质制成，安装座包括连接为一体的顶板51和支承腿52，其中支承腿设置有三个并均匀布设于顶板的底部，即3个支承腿相互间隔120°，如图5所示，所述顶板上设置有安装孔511，传感器探头通过固定螺母7安装于安装孔内并位于三个支承腿的中心处，所述支承腿与法兰固定连接。本实施例中3个支承腿均为倒T字型，且均为圆弧面，且圆弧面的直径尺寸相同，方便设置圆形传感器探头和圆形的传感器限位块。

本实施例中传递杆为圆柱形，通孔也为圆形孔，传递杆的直径与通孔的直径相匹配，或者传递杆的外径小于通孔的孔径。当传递杆的外径小于通孔的孔径，为了确保传递杆不发生偏移，在传递杆上位于传感器限位块与通孔之间套设有导向块6，所述导向块整体为环状结构，导向块的内径与传递杆的外径相匹配，导向块通过粘接或者强磁力连接的方式固定于法兰上，具体地，导向块上设置有连接为一体的止档环61，止档环的内径与传递杆的外径相匹配，止档环的外环形状与通孔的形状相匹配，止档环套置于传递杆上，并卡置于通孔上，导向块的结构如图6所示。

本发明还提供了一种风电机组塔筒法兰螺栓连接状态检测系统的检测方法，包括以下步骤：

S1、将位移监测装置(电涡流位移传感器)安装于螺栓A的两侧，见图3，按照图中的结构进行安装；

S2、风电机组工作时，位移监测装置实时监测法兰上下表面的相对位移，并将监测数据通过数据采集仪传输到中央处理器，数据采集仪与中央处理器通过有线或无线的方式传输数据；

S3、中央处理器存储、分析法兰位移数据；

S31、若螺栓A两侧的位移监测装置得到的位移数据相差10％以上，说明位移监测装置可能出现故障，发出预警提示；

S32、若两者位移数据相差小于10％，则取两者的平均值作为螺栓A处的法兰上下表面的相对位移值，并根据相对位移值计算螺栓A的应力，具体的，结合法兰、螺栓A以及对应垫片的结构尺寸、材质参数进行计算；

S33、将计算得到的螺栓A的应力上传至云网络服务器，同时若螺栓A的应力数据小于设计阈值范围，说明螺栓有松动等现象，则发出预警提示；

S4、在低风速条件下对风电机组塔筒法兰螺栓进行应力检测，检测前从云网络服务器中读取该层塔筒法兰上被监测螺栓A的应力，并记为σ₀，用手持式电磁超声双波应力检测仪检测螺栓A的应力，并记为σ₁，令k＝σ₀/σ₁，k为修正系数；

S5、用手持式电磁超声双波应力检测仪测试该层塔筒法兰上其他螺栓的应力σ，然后乘以修正系数k得到其他螺栓修正后的应力值，若发现其他螺栓修正后的应力值小于设计阈值范围，则记录并再次拧紧；

具体地，当检测到螺栓的应力数据小于设计阈值范围时，使用套筒扳手再次拧紧螺栓，再次拧紧过程中是否拧紧到位的判断标准为：基于位移监测装置、手持式电磁超声双波应力检测仪所检测、计算出的螺栓应力数据符合设计要求。

S6、检测完一层塔筒法兰螺栓的应力数据后，再按照上述步骤S4、S5再测试下一层塔筒法兰螺栓的应力数据。

Claims (10)

1.一种风电机组塔筒法兰螺栓连接状态检测系统，至少包括位移监测装置、数据采集仪和中央处理器，位移监测装置、数据采集仪、中央处理器依次连接，将监测到的位移数据传至中央处理器，所述法兰上与主风向成90°方向位置的螺栓A的两侧对称设置有连通法兰上下面的通孔，位移监测装置安装于通孔内，用于监测螺栓A两侧的法兰上下表面间的相对位移值；所述检测系统还包括手持式电磁超声双波应力检测仪，检测法兰上每个螺栓的应力值。

2.根据权利要求1所述的风电机组塔筒法兰螺栓连接状态检测系统，其特征在于：所述位移监测装置为电涡流位移传感器，电涡流位移传感器通过传感器安装附件安装于通孔上，并监测法兰上下表面间的相对位移值。

3.根据权利要求2所述的风电机组塔筒法兰螺栓连接状态检测系统，其特征在于：所述电涡流位移传感器包括传感器本体、传感器探头和传感器限位块，其中传感器本体与数据采集仪连接，所述传感器安装附件包括止挡块、传递杆和安装座；

其中传递杆穿过通孔，止挡块连接于传递杆的一端并固定于法兰的下表面或上表面，所述传感器限位块固定于传递杆上远离止挡块的一端，使传感器限位块位于法兰上表面的上方或下表面的下方，并使传递杆和传感器限位块随下法兰或上法兰移动；

所述传感器探头固定于安装座上，安装座固定于法兰的上表面或下表面，使传感器探头位于传感器限位块的正上方或正下方，且传感器探头随上法兰或下法兰移动。

4.根据权利要求3所述的风电机组塔筒法兰螺栓连接状态检测系统，其特征在于：所述传感器限位块的直径大于传感器探头的直径，且大于通孔的孔径。

5.根据权利要求3所述的风电机组塔筒法兰螺栓连接状态检测系统，其特征在于：所述安装座包括连接为一体的顶板和支承腿，其中支承腿设置有三个并均匀布设于顶板的底部，支承腿呈倒T字型，所述顶板上设置有安装孔，传感器探头通过固定螺母安装于安装孔内并位于三个支承腿的中心处，所述支承腿与法兰固定连接。

6.根据权利要求3所述的风电机组塔筒法兰螺栓连接状态检测系统，其特征在于：所述传递杆为圆柱形，通孔为圆形孔，传递杆的直径与通孔的直径相匹配。

7.根据权利要求3所述的风电机组塔筒法兰螺栓连接状态检测系统，其特征在于：所述传递杆的外径小于通孔的孔径，传递杆上位于传感器限位块与通孔之间套设有导向块，所述导向块整体为环状结构，导向块的内径与传递杆的外径相匹配，导向块固定于法兰上。

8.根据权利要求7所述的风电机组塔筒法兰螺栓连接状态检测系统，其特征在于：所述导向块上设置有连接为一体的止档环，止档环的内径与传递杆的外径相匹配，止档环的外环形状与通孔的形状相匹配，止档环套置于传递杆上，并卡置于通孔上。

9.一种根据权利要求1所述的风电机组塔筒法兰螺栓连接状态检测系统的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、将位移监测装置安装于螺栓A的两侧；

S2、风电机组工作时，位移监测装置实时监测法兰上下表面的相对位移，并将监测数据通过数据采集仪传输到中央处理器；

S3、中央处理器存储、分析法兰位移数据，若螺栓A两侧的位移监测装置得到的位移数据相差10％以上，发出预警提示；若两者位移数据相差小于10％，则取两者的平均值作为螺栓A处的法兰上下表面的相对位移值，并根据相对位移值计算螺栓A的应力，上传至云网络服务器，同时若螺栓A的应力数据小于设计阈值范围，则发出预警提示；

S4、在低风速条件下对风电机组塔筒法兰螺栓进行应力检测，检测前从云网络服务器中读取该层塔筒法兰上被监测螺栓A的应力，并记为σ₀，用手持式电磁超声双波应力检测仪检测螺栓A的应力，并记为σ₁，令k＝σ₀/σ₁，k为修正系数；

S5、用手持式电磁超声双波应力检测仪测试该层塔筒法兰上其他螺栓的应力σ，然后乘以修正系数k得到其他螺栓修正后的应力值，若发现其他螺栓修正后的应力值小于设计阈值范围，则记录并再次拧紧；

S6、检测完一层塔筒法兰螺栓的应力数据后，再按照上述步骤S4、S5再测试下一层塔筒法兰螺栓的应力数据。

10.根据权利要求9所述的风电机组塔筒法兰螺栓连接状态检测系统的检测方法，其特征在于：步骤S5中检测到螺栓的应力数据小于设计阈值范围，使用套筒扳手再次拧紧螺栓，再次拧紧过程中是否拧紧到位的判断标准为：基于位移监测装置、手持式电磁超声双波应力检测仪所检测、计算出的螺栓应力数据符合设计要求。

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